KR100742709B1

KR100742709B1 - 스테인레스 스틸 스크랩을 이용한 전도성 복합재의제조방법

Info

Publication number: KR100742709B1
Application number: KR1020060056367A
Authority: KR
Inventors: 윤호상; 이성수
Original assignee: 노바템스 주식회사
Priority date: 2006-06-22
Filing date: 2006-06-22
Publication date: 2007-07-25

Abstract

본 발명은 제철소 내에서 배출되는 스테인레스 스틸 스크랩을 탈지 및 고분자 수지와의 혼합 공정을 거쳐 우수한 품질을 가진 정전기 방지용 전도성 복합재를 제조할 수 있도록 해주는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 기술구성은, (a) 오일이 함유된 스테인레스 스틸 스크랩을 프레스 가공하여 단괴 형태로 압축 성형하는 단계; (b) 상기 압축 성형된 단괴를 열처리로에 장입하고 300 ~ 500℃로 1 ~ 4시간 동안 가열하여 오일을 제거하는 단계; (c) 오일이 제거된 단괴를 파쇄하여 전도성 복합재용 금속 충진재로 재생하는 단계; (d) 고분자 수지로 된 매트릭스에 상기 금속 충진재를 20 ~ 50 중량％ 첨가한 후 균일하게 혼합시켜 전도성 복합재를 제조하는 단계를 포함한다.

스테인레스 스틸, 스크랩, 전도성 복합재, 고분자 수지

Description

스테인레스 스틸 스크랩을 이용한 전도성 복합재의 제조방법{Method for manufacturing conductive composite using the scrap of stainless steel}

도1은 본 발명에 따른 제조방법을 나타낸 순서도.

도2는 스테인레스 스틸 스크랩 배출과정을 나타낸 개략도.

도3은 스테인레스 스틸 스크랩의 입자 사진.

도4는 스테인레스 스틸 스크랩으로 제조된 단괴의 사진.

도5는 본 발명에 따른 전도성 복합재의 표면 사진.

※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명※

10: 코일 스트립 20: 연마 벨트

30: 오일 40: 스크랩

본 발명은 스테인레스 스틸 스크랩을 이용한 전도성 복합재의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 제철소 내 스테인레스 스틸의 표면 연마공정에서 배출되는 스크랩을 탈지 및 고분자 수지와의 혼합 공정을 거쳐 우수한 품질을 가진 정전기 방지용 전도성 복합재를 제조할 수 있도록 해주는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 반도체의 조립 및 운반 라인이나 전산실, 수술실과 같이 첨단 전자 장비를 사용하는 작업장에서는 정전기 발생에 따른 기기 오작동이 심각한 제품 불량이나 인명 사고를 유발할 수 있다. 따라서, 작업장 주변 환경을 정전기를 차단하거나 분산시킬 수 있도록 만들어 주어야 한다. 이러한 이유로 최근에 전기, 전자, 통신, 바이오, 화학, 의약 등의 최첨단 산업을 중심으로 먼지 오염, 소자 파괴, 열화, 폭발, 인체 유해 등을 예방하기 위해 정전기 발생을 방지하거나 감쇄시킬 수 있는 재료에 대한 수요가 꾸준히 증가되고 있다.

고분자 수지와 같이 표면 저항이 10¹²Ω/sq보다 큰 절연체의 경우에는 발생된 정전기가 대전되어 축적이 되고, 금속과 같이 표면 저항이 10⁴Ω/sq보다 작은 도체의 경우에는 발생된 정전기가 신속하게 분산되는 특성이 있으나 접지를 하지 않으면 절연체와 마찬가지로 대전이 되며 불꽃 방전으로 인하여 정전기 피해를 야기시키는 문제점이 있다. 따라서, 정전기를 효과적으로 예방하기 위해서는 재료의 표면 저항이 10⁴ ~ 10¹⁰Ω/sq인 것이 바람직하다.

이러한 점을 고려하여 최근에는 절연체인 고분자 수지에 전도성을 부여하여 표면 저항이 10⁴ ~ 10¹⁰Ω/sq 가 되도록 한 정전기 방지재가 많이 개발되고 있다. 절연체인 고분자 수지에 전도성을 부여하는 방법으로 표면에 전도성 처리를 하는 방법과 고분자 수지 내부에 전도성 재료를 첨가하는 방법이 있다. 표면 처리재료로는 대전 방지제, 전도성 고분자, 도전성 재료, 도금, 코팅 등이 있으며, 내부 첨가 재료로는 카본, 금속, 금속 코팅분말과 같은 전도성 충진재나 폴리아닐린, 폴리티오펜, 폴리피롤과 같은 전도성 고분자 등이 사용된다.

표면 처리용 대전 방지제로서 계면 활성제가 가장 많이 사용되나, 습도에 대한 의존성이 높고 시간이 지남에 따라 효과가 현저히 저하되는 문제점이 있다. 전도성 충진재로 널리 사용되는 카본은 표면 스크래치에 의한 입자 오염 문제가 발생하며 소량만 첨가하여도 흑색을 나타내기 때문에 다양한 색상을 발현할 수 없다는 단점이 있다. 전도성 고분자는 주로 코팅 등의 형태로 사용되는데 다양한 전도도의 발현이 가능하고 부분적으로 투명성을 가지는 장점은 있으나 가격이 매우 비싸고 내약품성 및 내스크래치성이 떨어져 적용 범위가 제한적이 단점이 있다.

상기한 바와 같이, 계면 활성제, 카본, 전도성 고분자 등은 사용상의 제약이 많아 최근에는 고분자 수지에 금속 충진재를 혼합한 전도성 복합재가 개발되고 있다. 그 대표적인 예가 일본공개특허공보 평10-195311호에 게시된 것과 같이 열가소성 수지에 스테인레스 스틸 섬유를 혼합한 것이다. 이 섬유는 스테인레스 스틸을 번들 드로잉(bundle drawing) 방식으로 가공하여 만든 것으로 직경이 10㎛ 내외로 매우 미세하기 때문에 중량비로 10％ 미만으로 첨가하여도 대전 방지 특성을 나타내는 장점이 있다. 그러나, 경도가 높은 스테인레스 스틸을 가는 섬유상으로 제조하는데 특별한 가공 공정이 필요하기 때문에 가격이 매우 비싸고, 고분자와 혼합 가공성 즉 분산성이 떨어지기 때문에 연화온도가 높은 일부 수지에만 사용할 수 있다는 단점이 있다.

금속 충진재를 사용하여 전도성 복합재를 제조하는 또 다른 방법은 일본공개 특허공보 평04-145992호에 게시된 바와 같이 제철소의 정련 단계에서 배출되는 철 파우더나 알루미늄 재와 같은 스크랩을 재활용하여 고분자 수지에 혼합하는 것이다. 그러나, 정련 단계에 배출되는 스크랩에는 철이나 알루미늄 등의 금속 성분 이외에도 산화규소(SiO₂)와 알루미나(Al₂O₃)와 같은 비전도성 물질이 다량으로 함유되어 있어 효과적인 대전 방지 및 정전기 분산 기능을 나타내기 어려운 단점이 있다.

이와 같이, 현재 생산되고 있는 고분자 복합재는 각각마다 그 제조 및 사용상의 문제점이 있었다. 본 발명자는 이러한 문제점을 해결할 수 있는 새로운 금속 충진재의 발굴과 이를 이용한 고분자 복합재의 제조방법에 대해 다년 간 실험 및 연구를 거듭한 결과 본 발명을 개발하게 된 것이다.

본 발명은 이러한 과정을 통해 개발된 것으로서, 제철소 내에 스테인레스 스틸의 표면 연마공정에서 배출되는 스크랩을 재활용하고, 이를 효과적인 탈지 공정 및 고분자 수지와의 혼합 공정을 통해 우수한 품질의 전도성 복합재를 제조할 수 있는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전도성 복합재 제조방법은, (a) 오일이 함유된 스테인레스 스틸 스크랩을 프레스 가공하여 단괴 형태로 압축 성형하는 단계; (b) 상기 압축 성형된 단괴를 열처리로에 장입하고 300 ~ 500℃로 1 ~ 4시간 동안 가열하여 오일을 제거하는 단계; (c) 오일이 제거된 단괴를 파쇄하 여 전도성 복합재용 금속 충진재로 재생하는 단계; (d) 고분자 수지로 된 매트릭스에 상기 금속 충진재를 20 ~ 50 중량％ 첨가한 후 균일하게 혼합시켜 펠릿 형태의 전도성 복합재를 제조하는 단계를 포함한다.

이하에서 첨부된 도면을 참조로 본 발명에 따른 스테인레스 스틸 스크랩을 이용한 전도성 복합재 제조방법을 보다 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 전도성 복합재 제조방법의 전체 공정이 게시된 도1에서 보듯이, 본 발명은 크게 스크랩 단괴의 제조단계, 스크랩 단괴의 탈지 처리단계, 탈지 처리된 단괴의 분쇄단계, 분쇄된 금속 충진재의 선급단계 및 고분자 수지와 금속 충진재 혼합단계로 이루어진다.

상기한 공정은 제철소 내에서 스테인레스 스틸의 스크랩을 회수하는 작업으로부터 시작된다. 스테인레스 스틸은 철강 제품 중에서 고부가가치 제품에 속하기 때문에 엄격한 품질 관리가 요구된다. 따라서, 도2에 도시된 바와 같이 스테인레스 스틸 제조 공정에서는 일반 탄소강과 달리 냉연 공정 중에 발생되는 제품의 표면 결함을 제거하기 위해 연마 벨트(20)를 이용해 코일 스트립(10)의 표면을 연마하는 작업이 별도로 이루어지며, 이 과정에서 스테인레스 스틸 스크랩(40)이 대량으로 배출된다. 또한, 연마 작업이 원활하게 이루어질 수 있도록 코일 스트립(10)의 표면에 오일을 분사하는데, 이로 인해 상기 스크랩(40)에는 중량비로 20 ~ 40％ 정도의 오일이 다량 함유된다.

도3은 상기 연마 공정에서 배출된 스테인레스 스틸 스크랩(40)의 입자 사진이다. 사진에서 보듯이 스크랩(40)은 길이가 300 ~ 1000㎛, 폭이 10 ~ 60㎛ 이하인 큰 종횡비를 가지는 섬유상으로 이루어져 있다. 큰 종횡비를 가지는 섬유상의 스크랩(40)은 네트워킹 구조를 형성하기 용이하며, 이러한 네트워킹 구조는 적은 양의 충진재로도 전도성이 뛰어나 우수한 정전기 방지효과를 나타낸다. 본 발명자는 이러한 점을 고려하여 전도성 복합재에 포함되는 금속 충진재로서 스테인레스 스틸의 연마 공정에서 배출되는 스크랩(40)을 선택한 것이다.

현재 발생되는 스테인레스 스틸 스크랩은 그 일부만이 제강 공장에서 스테인레스 제조시 재활용되고 있을 뿐 대부분 산업폐기물로 매립되어 버려지고 있는 실정이다. 그러나, 매립되는 스크랩은 오일로 다량 함유하고 있어 심각한 환경오염 문제를 발생시키고, 제강 공장에서 재활용하는 경우에도 오일을 태워서 사용하므로 배기가스 등에 의한 대기오염 문제를 발생시키고 있다. 따라서, 스테인레스 스틸의 스크랩을 전도성 복합재로 재활용하게 되면 산업폐기물을 자원화하는 효과뿐만 아니라 환경오염도 예방할 수 있다.

다만, 상기한 바와 같이 스테인레스 스틸의 연마 과정에서 배출되는 스크랩(40)은 다량의 오일을 함유하고 있기 때문에 그대로 사용할 수 없다. 탈지 처리를 통해 오일을 제거하고 금속 충진재로서 적당한 크기의 스크랩을 선별한 후 이를 고분자 수지와 균일하게 혼합하는 공정을 거쳐야지만 요구되는 전도성을 갖는 고분자 복합재를 제조할 수 있다. 본 발명의 기술적 특징은 상기한 후속 공정을 최적화하는데 필요한 구성을 제공하는데 있다.

첫 번째 공정은 스테인레스 스틸의 연마 과정에서 배출된 스크랩을 회수하고 이를 탈지 처리하기 위해 단괴로 제조하는 단계(S10)이다. 다량의 오일이 함유된 스크랩을 약 500ton 압력의 프레스에 넣은 후 압축 성형하면 도4에 도시된 바와 같이 직경 150mm, 높이 70mm의 디스크 형태를 가진 단괴가 만들어진다. 단괴의 형태는 디스크가 일반적이나 프레스 기기의 종류에 따라 직육면체 등 여러 가지 형태로 제조될 수 있다. 압축 성형 과정에서 함유된 오일의 일부가 스퀴징(squeezing)되어 분리되며 부피도 1/5 ~ 1/10 정도가 감소된다.

다음으로, 상기 압축 성형된 스크랩 단괴에 잔류하는 오일을 완전히 제거하기 위해 이를 열처리로에 장입한 후 일정한 조건 하에서 가열함으로써 탈지 처리한다(S20). 스크랩 단괴를 열처리로에 차례로 적층한 다음 300 ~ 500℃에서 1 ~ 4시간 동안 가열하면 단괴 내에 잔류하던 오일이 증발되어 제거된다. 이 때, 탈지 온도가 300℃ 미만이면 오일을 제거하는데 오랜 시간이 소요되어 비효율적이며, 500℃를 초과하면 오일이 타버려 표면이 탄화되기 때문에 금속 충진재로서 사용할 수 없게 된다. 탈지 시간은 상기한 최대 탈지 온도(500℃)에서 오일 잔류량이 전혀 없게 되는 시간(1시간)과 최소 탈지 온도(300℃)에서 오일 잔류량이 전혀 없게 되는 시간(4시간)을 규정한 것이므로, 1시간 미만이면 단괴 내에 오일이 잔류하게 되고, 4시간을 초과하게 되면 오일 잔류량이 없어 품질 면에서는 문제가 없으나 에너지 효율이 저하된다.

이러한 결과는 압축 성형된 스크랩 단괴 내의 탈지 처리조건에 따른 오일 잔류량을 측정한 하기 표1에서 확인할 수 있다.

[표1]

탈지 조건	오일 제거량 (중량%)	오일 잔류량 (중량%)	비고
200℃, 2시간	9 ~ 12	3 ~ 5	오일 잔류
400℃, 2시간	14 ~ 15	0	오일완전제거, 표면탄화없음(색상양호)
600℃, 2시간	14 ~ 15	0	오일완전제거, 표면탄화

오일 잔류량은 탈지 처리 후 단괴의 샘플을 채취하여 TGA 분석을 통해 무게의 감소량을 측정함으로써 계산한다. 상기 표1에서 보듯이 200℃ 처리조건에서는 오일이 완전히 제거되지 못하고, 600℃ 처리조건에서는 오일은 완전히 제거되었으나 오일이 타버리면서 표면이 검게 변하는 현상이 발생한다. 이에 반해 400℃ 처리조건에서는 오일이 완전히 제거되며 탄화됨이 없이 금속빛의 양호한 표면을 얻을 수 있다. 또한, 탈지된 스크랩의 화학성분을 ICP 분석을 통해 보면 스테인레스 스틸과 동일하다는 것을 알 수 있다.

한편, 상기 탈지 처리는 열처리로의 내부를 진공 상태가 되도록 배기하면서 행하는 것이 산화를 방지할 수 있다. 이 때, 증발된 오일은 별도의 열순환 장치를 통해 냉각시켜 전량 회수할 수 있다.

탈지 처리된 스크랩 단괴를 금속 충진재로 사용하기 위해서는 압축 성형된 디스크 형태의 단괴를 분쇄하여 이를 원래의 섬유상 형태로 풀어주어야 한다(S30). 분쇄 공정은 다엽의 분쇄/햄머 날을 구비한 분쇄기를 통해 이루어진다. 분쇄되어 풀어진 스크랩 입자는 전반적으로 압축 성형되기 전과 유사한 섬유상 형태를 가지므로, 이를 그대로 금속 충진재로 사용하여도 네트워킹 구조를 형성할 수 있다.

그러나, 스크랩 입자는 압축 성형 및 분쇄 과정에서 섬유상이 아닌 형태의 것이 일부 포함될 수 있다. 따라서, 보다 우수한 전도성을 나타내도록 하기 위해서는 상기 분쇄된 스크랩 입자 중 선별기를 통해 적절한 입도를 가진 것만을 선별 · 분급하는 것이 바람직하다(S40). 이 때, 선급되는 입자는 원래의 스크랩 입자와 동일하게 길이가 300 ~ 1000㎛, 폭이 10 ~ 50㎛인 큰 종횡비를 가지는 섬유상 형태를 가진다. 이러한 섬유상 입자만을 선별하여 금속 충진재로 사용하면 네트워킹 구조를 형성하기가 용이하여 더욱 우수한 전도성을 나타낼 수 있다.

상기와 같이 본 발명에 따른 스테인레스 스크랩을 재활용하는 기술은 인체에 유해한 유기 용매의 사용이나 배기가스 등의 오염 발생 없이 친환경적으로 폐기물을 자원화하는데 특징이 있으며, 재활용 공정의 부산물로 오일도 얻을 수 있다는 장점이 있다.

마지막으로 상기 분쇄 및 선급된 금속 충진재 20 ~ 50 중량％를 고분자 수지에 균일하게 혼합함으로써 최종적으로 전도성 복합재를 제조한다(S50). 매트릭스가 되는 고분자 수지는 열가소성 수지 및 열경화성 수지 모두가 가능하나, 금속 충진재와의 균일한 혼합을 위해서는 PVC(polyvinyl chloride), PS(polystyrene), PE(polyethylene), PU(polyurethane) 중 선택된 하나를 사용하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 전도성 복합재는 1차적으로 펠릿 또는 시트 형태로 제조될 수 있다. 시트 형태의 전도성 복합재는 2차 가공을 통해 실제 현장에서 많이 사용되는 플레이트나 매트 형태로 제작될 수 있는데 이에 대한 상세한 내용은 후술하기로 한다.

펠릿 형태의 전도성 복합재는 상기 고분자 수지에 S40 단계를 통해 선급된 금속 충진재를 20 ~ 50 중량％ 첨가하여 믹서로 균일하게 혼합한 다음 이를 일축 또는 이축 압축기를 이용하여 펠릿 형태로 컴파운딩하여 제조한다. 제조된 전도성 복합재의 금속 충진재 함량에 따른 전기적 특성(표면 저항)의 변화를 측정하기 위해 각 함량별 컴파운드 펠릿을 50g씩 계량하여 200 × 200 금형에 놓은 후에 핫 프레스를 이용하여 170℃에서 500psi 압력으로 3분간 압착하여 복합 판재를 제조하였다. 이 복합 판재의 표면 저항을 ASTM D257, ESD 11.11 시험법을 이용하여 측정한 결과 10⁴ ~ 10¹⁰ Ω/sq 범위를 가지는 것으로 나타났다.

일반적으로, 재료의 표면 저항이 10⁴ ~ 10⁸ Ω/sq 범위이면 정전기 분산 효과가 높고, 10⁸ ~ 10¹⁰ Ω/sq 범위이면 정전기 방지 효과가 높은 것으로 알려져 있다. 따라서, 10⁴ ~ 10¹⁰ Ω/sq의 표면 저항값을 갖는 본 발명에 따른 전도성 복합재는 정전기 분산 또는 방지 효과가 높아 정전기 방지재료로서 사용할 수 있다. 펠릿 형태의 전도성 복합재는 2차 가공을 통해 시트로 만들 수도 있고, 펠릿 형태 그대로 정전기 방지재로 사용되기도 한다.

한편, 가장 많이 사용되는 시트 형태의 정전기 방지재는 캐스팅법, 티-다이(T-die)를 이용한 압출 성형법, 롤 캘린더링법으로 각각 제조된다.

첫 번째 방법인 캐스팅법에 따르면, 상기 고분자 수지에 S40 단계를 통해 선급된 금속 충진재를 20 ~ 50 중량％ 첨가하여 균일하게 혼합한 후 이를 테트라하이드로푸란(TetraHydroFuran, THF), 크실렌(Xylene), 사이클로 헥사논(Cyclo Hexanone), 케톤류, 톨루엔 등과 같은 유기 용매에 혼합하여 슬러리 상태로 만든다. 그 후 이를 이형 필름 위에 캐스팅하고 120℃로 유지되는 열풍 건조기로 건조 하여 용제를 제거하면 전도성 복합재 시트를 제조할 수 있다. 이 때 얻어지는 시트의 두께는 50 ~ 200㎛으로 가장 얇은 두께의 시트를 제조할 수 있다. 그 표면 저항값은 금속 충진재의 함량에 따라 10⁴ ~ 10¹⁰ Ω/sq로 조절할 수 있다.

두 번째 방법인 압출 티-다이(T-die)를 이용한 압출 성형법에 따르면, 상기 고분자 수지에 S40 단계를 통해 선급된 금속 충진재를 20 ~ 50 중량％ 첨가하여 균일하게 혼합한 후 압출 티-다이에 장입하고 이를 압출시킴으로써 전도성 복합재 시트를 제조할 수 있다. 전도성 복합재 시트의 두께는 압출 티-다이의 간격에 따라 조절되는데, 보통 상기 캐스팅법에 의한 것보다 두꺼운 형태의 시트 제조에 사용된다. 압출 성형법에 따라 제조된 전도성 복합재 시트의 표면 저항값 또한 금속 충진재의 함량에 따라 10⁴ ~ 10¹⁰ Ω/sq로 조절 가능하다.

세 번째 방법인 롤 캘린더링법에 따르면, 상기 캐스팅법이나 압출 성형법에 비해 광폭의 시트를 제조할 수 있고 생산성이 높아 PVC 수지의 시트 제조에 많이 사용된다. 롤 캘린더링 방식에 의해 제조된 전도성 복합재 시트는 금속 충진재 및 보조제 함량에 따라 10⁷ ~ 10¹¹ Ω/sq 범위의 표면 저항값을 가진다. 이렇게 제조된 시트를 110 ~ 150℃의 히팅롤로 후속 처리하면 표면 저항값을 10⁴ ~ 10¹⁰ Ω/sq로 낮출 수 있다. 이와 같이, 상기 3가지 방법 시트 형태로 제조된 전도성 복합재는 모두 정전기 방지 효과를 나타내는 10⁴ ~ 10¹⁰ Ω/sq의 표면 저항을 가진다.

고분자 수지와 금속 충진재를 혼합하는 단계에서 몇 가지 보조제를 첨가하면 더욱 우수한 품질의 전도성 복합재를 얻을 수 있다. 본 발명에 따르면, 고분자 수지 30 ~ 70중량％, 금속 충진재 20 ~ 50중량％, 가소화제 7 ~ 20중량％ 및 가공조제, 열적 안정제, 충격 보강제, 활제를 각각 0.5 ~ 2중량％를 균일하게 혼합한 다음 이를 일축 또는 이축 압축기를 통해 펠렛 형태로 만들거나, 상기한 캐스팅법, 압출 성형법, 롤 캘린더링법을 통해 시트 형태로 된 전도성 복합재를 만든다.

기본적으로 스크랩으로 된 금속 충진재가 20중량％ 미만이면 요구되는 전도성을 나타내지 못해 정전기 분산 기능이 저하되고, 50중량％를 초과하면 상대적으로 고분자 수지의 양이 적게 되므로 표면 저항이 낮아져 대전 방지 기능이 저하된다.

가소화제는 전도성 복합재 시트의 연질/경질성을 조절하는 것으로, 상기한 함량 범위 내에서 첨가됨으로써 복합재 시트의 부드러움을 유지시켜 준다.

가공조제는 고분자 수지의 겔화를 촉진시켜 유동 점성을 향상시켜주고, 열적 안정제는 가공 온도의 상승에 따른 수지의 물성 변화를 방지해 주며, 충격 보강제는 취성이 강한 고분자 수지를 매트릭스로 하는 전도성 복합재의 내충격성을 향상시켜주고, 활제는 고분자 수지 내에 입자 형태의 금속 충진재가 혼합됨으로써 발생되는 가공성 저하를 방지해 준다. 이들 보조제는 상기한 함량 범위 내에서 각각의 기능을 가장 효율적으로 나타낸다.

상기한 보조제 중에서 열적 안정제는 고분자 수지와 금속 충진재의 안정적이고 균일한 혼합을 위해 가장 중요하다. 고분자 수지, 그 중에서 PVC 수지는 가공 온도의 범위가 매우 제한적이어서 가공 온도가 너무 높으면 수지가 타버려 염소가 스가 발생하는 등의 문제가 발생한다. 특히, 본 발명과 같이 고분자 수지 내에 다량의 금속 충진재를 혼합하게 되면 수지와 금속 입자 간에 마찰력/전단력이 발생하여 가공 온도가 크게 상승하므로 적절한 열적 안정제의 사용이 필수적이다.

전도성 복합재는 믹서를 통한 블렌딩 가공으로 균일하게 혼합된 다음 압출 가공을 통해 컴파운딩된다. 이러한 1차 가공 후에는 후술하는 바와 같이 캐스팅법, 압출법, 롤 캘린더링법에 의한 2차 가공을 통해 전도성 복합재 시트로 제조된다. 기존에 고분자 수지를 가공할 때 사용되던 대표적인 열적 안정제는 Sn계 복합 안정제였으나, 본 발명자의 실험 결과 Sn계 복합 안정제는 전도성 복합재의 1차 가공 및 2차 가공에 따라 그 전기적 특성에 악영향을 미치는 것으로 나타났다.

따라서, 본 발명에서는 Sn계 복합 안정제 대신 금속석검계 단일 안정제를 사용하였다. 이 금속석검계 단일 안정제는 Ba, Cd, Ca, Zn계가 있으나, Ba, Cd 계열은 유독성 금속으로 인체에 유해한 단점이 있어 Ca-X계의 단일 안정제가 가장 바람직하다. Sn계 복합 안정제와 금속석검계(Ca-X) 단일 안정제가 전도성 복합재의 전기적 특성에 미치는 영향을 알아보기 위해 각 안정제의 함량에 따른 전도성 복합재 시트의 표면 저항값의 변화를 측정하였는바, 그 결과는 하기한 표2와 같다.

[표2]

안정제 양(phr)	표면 저항(Ω/sq)
	금속석검계(Ca-X) 단일 안정제		Sn계 복합 안정제
	1차 가공	2차 가공	1차 가공	2차 가공
3	4.80 ×10⁵	5.50 ×10⁵	4.80 ×10⁵	4.27 ×10⁸
5		4.11 ×10⁵		7.30 ×10⁷
7.5		1.78 ×10⁵		2.14 ×10¹⁰
10		2.67 ×10⁵		1.00 ×10¹³

상기 표2에서 보듯이 Sn계 복합 안정제를 사용한 경우에는 1차 가공 후 2차 가공을 함에 따라 표면 저항값이 크게 증가하는 등 전기적 특성이 변화되는 반면, 금속석검계(Ca-X) 단일 안정제를 사용한 경우에는 표면 저항값에 거의 변화가 없었다. 금속석검계(Ca-X) 단일 안정제의 경우에는 안정제의 양에 따라서도 표면 저항값의 변화가 거의 없다는 것을 알 수 있다. 따라서, 본 발명에 따라 전도성 복합재를 제조할 때 금속석검계(Ca-X) 단일 안정제를 사용하게 되면 전기적 특성의 변화 없이 열적 안정성을 확보할 수 있다.

이러한 금속석검계(Ca-X) 단일 안정제에 의한 전기적 및 열적 안정성은 고분자 수지와 금속 충진재의 균일한 혼합에 크게 기여한다. 이에 의해 도5에서 보듯이 전도성 복합재의 표면에 금속 충진재가 균일하게 분포하게 되고, 이는 본 발명에 따른 시트 형태의 전도성 복합재로 만들어지는 플레이트, 매트, 바닥재 등이 재료 전체에 걸쳐 균일한 정전기 방지 특성을 나타낼 수 있도록 해준다.

상기와 같은 방법으로 제조된 시트 형태의 전도성 복합재는 플레이트(보드), 매트, 바닥재 등의 형태로 2차 가공되어 더욱 다양한 용도로 사용될 수 있다. 전도성 복합재 플레이트(보드)는 표면 저항값이 10⁴ ~ 10¹⁰ Ω/sq인 시트 형태의 전도성 복합재를 체적저항이 10¹²Ω·㎝ 이상인 절연체 플레이트 또는 표면 저항이 10³~ 10⁶Ω/sq이고 체적저항이 10² ~ 10⁵Ω·㎝인 카본블랙이 함유된 플레이트의 적어도 일면에 열압착 또는 점착처리를 하여 제조된다. 상기 카본블랙이 함유된 플레이트는 통상적으로 상기한 범위의 표면 저항값을 갖는다.

일 실시예로 절연 또는 카본 블랙이 함유된 PVC 플레이트의 일면에 상기한 3가지 방법으로 만든 시트 형태의 전도성 복합재를 각각 부착한 후 140℃에서 25 ~ 45분 동안 열압착하여 800㎜×600㎜×5㎜의 플레이트를 제조하였는바, 각각의 표면 저항은 다음 표3과 같다.

[표3]

시트 제조방법	금속 충진재 함량(중량%)	표면 저항(Ω/sq)
캐스팅법	25 ~ 35	1.6 ~ 3.1 ×10⁶
압출 성형법	30 ~ 45	2.8 × 10⁵ ~ 3.7 × 10⁷
롤 캘린더링법	30 ~ 45	1.9 × 10⁵ ~ 7.5 × 10⁷

상기 표3에서 보듯이 2차 가공을 통해 제조된 전도성 복합재 플레이트는 어떠한 시트 제조방법에 따르더라도 표면 저항값이 상기한 10⁴ ~ 10¹⁰ Ω/sq 값을 가지므로 우수한 품질의 정전기 방지재로서 사용될 수 있다. 플레이트 형태의 정전기 방지재는 반도체 클린룸의 내장용 판넬, LCD 제조장비의 판넬, 캐리어 등으로 많이 사용된다.

한편, 전도성 복합재 매트는 표면 저항값이 10⁴ ~ 10¹⁰ Ω/sq인 시트 형태의 전도성 복합재를 상부층으로 하고, 여기에 표면 저항이 10³ ~ 10⁶Ω/sq이고 체적저항이 10² ~ 10⁵Ω·㎝인 카본블랙 시트층을 연속적으로 압착하여 하부층을 이루도록 함으로써 2 layer 층으로 만들어진다. 이 때, 하부층을 이루는 카본 블랙 시트층은 정전기 감쇄시간과 접지능력을 향상시킨다. 또한, 하부층으로 체적저항이 10¹²Ω·㎝ 이상인 절연체 시트를 1~5mm 두께로 연속적으로 압착하여 2 layer 층을 만 들 수도 있다.

또한, 상부층과 하부층의 중간에 동박, 알루미늄박과 같은 전기 전도도가 높은 금속박 또는 전도성 섬유층을 삽입하여 3 layer 층으로 만듬으로써 정전기 감쇄시간과 접지효과를 더욱 향상시킬 수 있다. 이와 같이 제조된 전도성 복합재 매트는 대전방지제만을 첨가한 고무 매트와 달리 내습성 및 내약품성이 강하고 시간에 따른 정전기 방지 특성의 노화 현상이 없어 전기, 전자, 바이오, 의약 산업의 정전기 방지용 바닥재로 사용 가능하다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 스테인레스 스틸 스크랩을 이용한 전도성 복합재의 제조방법에 의하면, 산업폐기물의 버려지는 스크랩을 재활용하기 때문에 저렴한 비용으로 전도성 복합재를 제조할 수 있어 경제적 효과가 높을 뿐만 아니라 아울러 자원 재활용 및 환경오염 방지에도 기여할 수 있다.

또한, PVC와 같은 고분자 수지와의 복합화를 통해 표면 저항이 10⁴ ~ 10¹⁰ Ω/sq인 영구 대전방지 기능을 갖는 전도성 복합재를 만들 수 있다. 그리고, 기존의 카본 블랙 시트와 달리 다양한 색상의 구현이 가능하고, 표면 스크래치에 의한 입자오염 문제도 해결할 수 있어 시트, 플레이트, 매트 바닥재 등으로 만들어져 산업계 전반에 걸쳐 다양한 용도의 정전기 방지재료로 사용될 수 있다.

Claims

(a) 오일이 함유된 스테인레스 스틸 스크랩을 프레스 가공하여 단괴 형태로 압축 성형하는 단계;

(b) 상기 압축 성형된 단괴를 열처리로에 장입하고 진공 상태에서 300 ~ 500℃로 1 ~ 4시간 동안 가열하여 오일을 제거하는 단계;

(c) 오일이 제거된 단괴를 파쇄하여 전도성 복합재용 금속 충진재로 재생하는 단계;

(d) 고분자 수지로 된 매트릭스에 상기 금속 충진재를 20 ~ 50 중량％ 첨가한 후 균일하게 혼합시켜 전도성 복합재를 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 스테인레스 스틸 스크랩을 이용한 전도성 복합재의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 (c) 단계는

(c-1) 단괴를 파쇄한 후 분급기를 통해 길이 300 ~ 1000㎛, 폭이 10 ~ 50㎛인 종횡비를 가지는 섬유상의 금속 충진재를 선별하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스테인레스 스틸 스크랩을 이용한 전도성 복합재 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 (d) 단계는

상기 고분자 수지는 PVC(polyvinyl chloride), PS(polystyrene), PE(polyethylene), PU(polyurethane) 중에서 선택된 하나를 사용하는 것을 특징으 로 하는 스테인레스 스틸 스크랩을 이용한 전도성 복합재 제조방법.
제3항에 있어서, 상기 (d) 단계는

상기 고분자 수지에 상기 금속 충진재를 20 ~ 50 중량％ 첨가하여 균일하게 혼합한 다음 이를 압출기를 통해 펠릿 형태의 전도성 복합재로 만드는 것을 특징으로 하는 스테인레스 스틸 스크랩을 이용한 전도성 복합재 제조방법.
제3항에 있어서, 상기 (d) 단계는

상기 고분자 수지에 상기 금속 충진재를 20 ~ 50 중량％ 첨가한 후 용제와 혼합하여 슬러리 상태로 형성한 다음 이를 이형 필름 위에 캐스팅하고 건조시킴으로써 시트 형태의 전도성 복합재를 만드는 것을 특징으로 하는 스테인레스 스틸 스크랩을 이용한 전도성 복합재 제조방법.
제3항에 있어서, 상기 (d) 단계는

상기 고분자 수지에 상기 금속 충진재를 20 ~ 50 중량％ 첨가하여 균일하게 혼합한 다음 압출 티-다이(T-die)를 통해 시트 형태의 전도성 복합재를 만드는 것을 특징으로 하는 스테인레스 스틸 스크랩을 이용한 전도성 복합재.
제3항에 있어서, 상기 (d) 단계는

상기 고분자 수지에 상기 금속 충진재를 20 ~ 50 중량％ 첨가하여 균일하게 혼합한 다음 롤 캘린더링 방식을 통해 시트 형태의 전도성 복합재를 만드는 것을 특징으로 하는 스테인레스 스틸 스크랩을 이용한 전도성 복합재
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 (d) 단계는

상기 고분자 수지 30 ~ 70중량％, 상기 금속 충진재 20 ~ 50중량％에 가소화제 7 ~ 20중량％ 및 가공조제, 열적 안정제, 충격 보강제, 활제를 각각 0.5 ~ 2중량％를 혼합하여 전도성 복합재를 제조하는 것을 특징으로 하는 스테인레스 스틸 스크랩을 이용한 전도성 복합재 제조방법.
제8항에 있어서, 상기 열적 안정제는 금속석검계(Ca-X)의 단일 안정제인 것을 특징으로 하는 스테인레스 스틸 스크랩을 이용한 전도성 복합재 제조방법.
제5항 내지 제7항 중 어느 하나의 방법에 따라 제조되고, 표면 저항이 10⁴ ~ 10¹⁰Ω/sq인 것을 특징으로 하는 시트 형태의 전도성 복합재.
제10항에 따른 시트 형태의 전도성 복합재를 체적저항이 10¹²Ω·㎝ 이상인 절연체 플레이트 또는 표면 저항이 10³ ~ 10⁶Ω/sq이고 체적저항이 10² ~ 10⁵Ω·㎝인 카본블랙이 함유된 플레이트의 적어도 일면에 열압착 또는 점착처리를 하여 제 조된 것을 특징으로 하는 전도성 복합재 플레이트.
제10항에 따른 시트 형태의 전도성 복합재를 상부층으로 하고, 여기에 체적저항이 10¹²Ω·㎝ 이상인 절연체 시트층 또는 표면 저항이 10³ ~ 10⁶Ω/sq이고 체적저항이 10² ~ 10⁵Ω·㎝인 카본블랙 시트층 중 하나를 연속적으로 압착하여 하부층을 이루도록 구성된 것을 특징으로 하는 전도성 복합재 매트.
제12항에 있어서, 상기 상부층과 하부층의 사이에 금속박 또는 전도성 섬유층으로 된 중간층이 더 형성된 것을 특징으로 하는 전도성 복합재 매트.